Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



Сведения о различных типах источников питания. Информация о гальванических элементах, аккумуляторах и других источниках питания. Вы также можете прочитать о продолжительности жизни источника питания, его эффективности и возможностях. В разделе содержатся подробные обзоры источников питания, пошаговые инструкции по их применению и другая полезная информация. Наш раздел станет полезным источником информации как для профессионалов, и для начинающих.

 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Источники питания / Будущее энергетики: металл-воздушные аккумуляторы


 Школа для электрика в Telegram

Будущее энергетики: металл-воздушные аккумуляторы



В настоящее время аккумуляторы широко используются в различных устройствах и технологиях, таких как мобильные устройства, электромобили, солнечные батареи и многие другие. Однако, существующие типы аккумуляторов имеют свои ограничения, включая ограниченную энергетическую плотность и относительно низкую эффективность.

В последние годы металл-воздушные аккумуляторы стали активно исследоваться как одно из потенциальных решений для увеличения энергетической плотности и улучшения эффективности.

В этой статье мы рассмотрим устройство, принцип работы, типы, преимущества и недостатки металл-воздушных аккумуляторов, а также их возможные применения в будущем.

Цинк-воздушный аккумулятор

Устройство и принцип работы металл-воздушных аккумуляторов

Металл-воздушные аккумуляторы (воздушно-металлические, Metal-Air Batteries) - это тип электрохимических аккумуляторов, в которых для генерации электрической энергии используется окисление металлического электрода в воздухе.

Они имеют очень высокую энергетическую плотность, что позволяет им обеспечивать значительно большие запасы энергии по сравнению с другими типами аккумуляторов.

Устройство металл-воздушных аккумуляторов состоит из нескольких компонентов. Основными являются металлический электрод (обычно цинк или алюминий), кислородный катод и электролит.

Кислородный катод представляет собой полую структуру, заполненную воздухом, которая позволяет кислороду свободно перемещаться внутри аккумулятора.

Электролит обычно является щелочным раствором (например, гидроксид калия), который служит для передачи ионов между электродами и поддержания баланса зарядов в аккумуляторе.

Принцип работы металл-воздушных аккумуляторов заключается в том, что металлический электрод окисляется, отдавая электроны в электрическую цепь и образуя ионы металла в растворе электролита.

Эти ионы перемещаются в электролите к кислородному катоду, где они вступают в реакцию с кислородом из воздуха и водой, образуя оксиды металлов и освобождая электроны, которые возвращаются в электрическую цепь.

Таким образом, металл-воздушный аккумулятор генерирует электрическую энергию на основе реакции окисления-восстановления, происходящей между металлом и кислородом.

Устройство алюминиево-воздушного аккумулятора

Устройство алюминиево-воздушного аккумулятора

Работа этой алюминиево-воздушной батареи довольно проста, так как в ней используются пластины из алюминиевого сплава в качестве анода, вода в качестве электролита и воздушный электрод в качестве катода. Воздух из атмосферы засасывается в систему воздушного катода, которая содержит катализатор.

Кислород в воздухе отделяется и реагирует с водой с образованием ионов гидроксида (ОН-). Затем ионный кислород (O+) вступает в реакцию с анодом, что приводит к образованию тригидроксида алюминия (Al(OH)3). Эта реакция приводит к высвобождению энергии в виде электрической энергии.

Типы металл-воздушных аккумуляторов

Металл-воздушные аккумуляторы существуют в нескольких вариантах, каждый из которых использует различные металлы для своей работы. Рассмотрим три основных типа металл-воздушных аккумуляторов:

  • Цинк-воздушные аккумуляторы (Zinc-air battery): в таких аккумуляторах цинк является металлическим электродом, а воздух – кислородным окислителем. Эти аккумуляторы могут иметь очень высокую энергетическую плотность и могут использоваться в приложениях, где важна высокая энергоемкость, таких как электромобили и беспилотные летательные аппараты. 
  • Литий-воздушные аккумуляторы (Lithium-air battery): эти аккумуляторы используют литий как металлический электрод, а кислород из воздуха – кислородным окислителем. Они обладают высокой энергетической плотностью, что делает их привлекательными для использования в электромобилях и других приложениях, где требуется высокая энергоемкость. 
  • Алюминиево-воздушные аккумуляторы (Aluminum-air batteries): в этих аккумуляторах алюминий является металлическим электродом, а кислород из воздуха – кислородным окислителем. Эти аккумуляторы имеют высокую энергетическую плотность и могут быть использованы в различных приложениях, таких как беспилотные летательные аппараты и электрические велосипеды. 

Алюминиево-воздушный аккумулятор

Алюминиево-воздушный аккумулятор

Технология алюминиево-воздушных аккумуляторов имеет множество положительных сторон. Он легче, чем литий-ионный аккумулятор, поскольку в нем используется алюминий, который также в изобилии и, что особенно важно, доступен на местном уровне.

Кроме того, раствор гидроксида алюминия, образующийся в использованной батарее, можно перерабатывать, чтобы вернуть алюминий.

Более того, утверждается, что алюминиево-воздушная батарея имеет плотность энергии 8 кВтч на кг по сравнению с 1-1,5 кВтч на кг для литиевых и других аккумуляторов. Таким образом, теоретически даже при половинной плотности энергии алюминиево-воздушная батарея обеспечит в 4 раза больший запас хода, чем литий-ионный эквивалент.

Преимущества и недостатки металл-воздушных аккумуляторов

Преимущества металл-воздушных аккумуляторов:

  • Высокая энергетическая плотность: металл-воздушные аккумуляторы имеют очень высокую энергетическую плотность по сравнению с другими типами аккумуляторов. Это позволяет им обеспечивать более длительное время работы приборов.
  • Длительный срок хранения: металл-воздушные аккумуляторы могут храниться в течение многих лет, не теряя своих характеристик.
  • Экологическая безопасность: металл-воздушные аккумуляторы не содержат тяжелых металлов, таких как свинец или кадмий, которые могут быть опасны для окружающей среды.

Недостатки металл-воздушных аккумуляторов:

  • Ограниченное количество циклов зарядки-разрядки: металл-воздушные аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов зарядки-разрядки из-за того, что реакция металла с кислородом не является обратимой.
  • Высокая чувствительность к влаге и кислороду: металл-воздушные аккумуляторы не могут храниться в условиях высокой влажности или в присутствии больших количеств кислорода.
  • Ограниченное применение: металл-воздушные аккумуляторы не подходят для всех типов приборов и оборудования. Они используются в основном для приложений, где высокая энергетическая плотность является критическим фактором.

Воздушно-цинковая аккумуляторная батарея, разработанная компанией NantEnergy

Воздушно-цинковая аккумуляторная батарея, разработанная компанией NantEnergy

В настоящее время воздушно-цинковые батареи считаются перспективной альтернативой распространенным литий-ионным батареям.

Литий-ионные батареи можно похвалить за их высокую плотность энергии, но они также печально известны тем, что вызывают множество проблем.

Литий-ионные аккумуляторы могут легко перегреваться и, как известно, могут загореться или взорваться.

Материалы, входящие в состав литий-ионных аккумуляторов, особенно литий и кобальт, подверглись критике за неэтичные и загрязняющие окружающую среду методы добычи полезных ископаемых.

Добыча, производство и утилизация этих металлов могут негативно повлиять на окружающую среду и здоровье человека. Например, процесс добычи кобальта может включать детский труд и эксплуатацию трудовых мигрантов в развивающихся странах.

Воздушно-цинковые батареи, напротив, могут делать многое из того, что могут литий-ионные, но без опасности перегрева — воздушно-цинковые батареи даже не нуждаются во внешней системе охлаждения.

Поскольку в воздушно-цинковых батареях в качестве катода используется обычный воздух, а в качестве анода — цинк, для их производства не требуется столько редких или загрязняющих окружающую среду материалов.

Примеры использования

Металл-воздушные аккумуляторы имеют ряд применений, включая военное, коммерческое и бытовое использование.

Военное применение металл-воздушных аккумуляторов обусловлено их высокой энергоемкостью и долгим сроком хранения. Они используются в различных устройствах, таких как радиостанции, бинокли, фонари, и даже беспилотные летательные аппараты.

Коммерческие и бытовые применения металл-воздушных аккумуляторов связаны с их высокой энергоемкостью и экологической безопасностью. Они могут использоваться в электроносителях для электромобилей, беспилотных летательных аппаратах, энергоемких устройствах и многих других приложениях.

Также металл-воздушные аккумуляторы могут использоваться в аварийных и резервных источниках питания, таких как аварийные осветительные устройства, системы оповещения, системы автоматического пожаротушения и многие другие.

Однако, несмотря на множество преимуществ, металл-воздушные аккумуляторы до сих пор имеют низкую распространенность в бытовых приложениях из-за их сложности и высокой стоимости.

Применение металл-воздушных аккумуляторов

Применение металл-воздушных аккумуляторов

Перспективы развития

Металл-воздушные аккумуляторы имеют большой потенциал для развития в будущем благодаря своим преимуществам в энергетической плотности и экологической безопасности. Некоторые из перспектив развития металл-воздушных аккумуляторов включают следующие аспекты:

  • Технологические улучшения: Производители аккумуляторов и исследователи постоянно работают над улучшением технологии металл-воздушных аккумуляторов. Они стремятся увеличить энергетическую плотность, улучшить эффективность и сократить затраты на производство.
  • Расширение применения: Металл-воздушные аккумуляторы могут найти широкое применение в различных отраслях, включая автомобильную, военную и промышленную. Например, эти аккумуляторы могут быть использованы в электрических автомобилях, дронов и портативных устройствах.
  • Развитие новых типов металл-воздушных аккумуляторов: Кроме традиционных типов металл-воздушных аккумуляторов, таких как цинк-воздушные, литий-воздушные и алюминиево-воздушные аккумуляторы, могут появиться и другие типы аккумуляторов с использованием более экологически чистых и доступных материалов.
  • Применение в энергетике: Металл-воздушные аккумуляторы могут стать важным элементом в системах энергоснабжения, позволяя хранить энергию в больших масштабах.
  • Использование возобновляемых источников энергии: Металл-воздушные аккумуляторы могут использоваться в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечные и ветряные, что позволит сохранять энергию для использования в периоды, когда источники энергии не работают.

Завод по производству электромобилей

Завод по производству электромобилей

Заключение

Металл-воздушные аккумуляторы имеют большой потенциал для использования в различных областях, таких как военное дело, авиация, мобильные устройства и электромобили, благодаря их высокой энергетической плотности и относительной дешевизне.

Однако они также имеют ряд недостатков, включая ограниченный срок службы и необходимость использования специальных воздухопроводов, а также проблемы экологического влияния.

В настоящее время идут работы над улучшением технологии металл-воздушных аккумуляторов, включая увеличение их срока службы, улучшение экологической безопасности и расширение областей применения.

Одним из ключевых направлений развития является использование новых материалов, которые позволят улучшить производительность и долговечность аккумуляторов, а также снизить их воздействие на окружающую среду.

Таким образом, металл-воздушные аккумуляторы представляют собой перспективное направление развития аккумуляторных технологий, которые могут значительно повысить энергетическую эффективность и экономическую эффективность различных устройств.

Это интересно: История электромобилей: от первых изобретений до смены приоритетов

Андрей Повный

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика